木卫三大气层存在水蒸气？哈勃太空望远镜首次发现有力证据

当地时间 2021 年 7 月 26 日，NASA 宣布，天文学家们首次发现了木星卫星木卫三（Ganymede）大气层中存在水蒸气的证据。

通过哈勃太空望远镜的最新档案数据集，天文学家们宣布了这一研究发现，并将成果发表在了《自然・天文学》（Nature Astronomy）杂志上。

图 | 发表在《自然・天文学》上的文章（来源：Nature Astronomy）

作为 NASA 与欧洲航天局的国际合作项目，哈勃太空望远镜由戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）负责管理，其具体科学操作由美国太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute，缩写为 STScI）负责进行。

据了解，木卫三是太阳系中最大的卫星。相关数据表明，其含水量比地球上所有的海洋都要多，但由于卫星温度较低，表面上的水都冻成了冰，而木卫三的海洋位于地壳下方约 161 公里处。因此，此次发现的水蒸气可能并非来自木卫三的地下海洋，很有可能是木卫三表面的冰蒸发而来。

近日，来自瑞典斯德哥尔摩 KTH 皇家理工学院的洛伦兹・罗斯（ Lorenz Roth ）与其团队通过太空望远镜去测量木卫三的原子氧含量，以支持 NASA “朱诺” 号的大型观测计划。

据了解，“朱诺” 号是 NASA 派出环绕木星的太空探测器，由位于美国丹佛的洛克希德・马丁太空公司建造并负责运营。自 2016 年以来，“朱诺” 号一直围绕木星飞行。此外，“朱诺” 号任务是 NASA “新前沿计划”（New Frontiers Program）的一部分，该计划由 NASA 位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心管理。

目前，“朱诺” 号正在观测木卫三，并于不久前发布了其飞越卫星时拍到的特写。

图 | 木卫三特写（来源：NASA）

据悉，罗斯和他的团队针对 2018 年哈勃的宇宙起源光谱仪和 1998 年至 2010 年太空望远镜成像光谱仪的档案图像，进行了对比分析。

1998 年，通过哈勃的太空望远镜成像光谱仪，天文学家们得以看到木卫三的第一张紫外线图像，其显示的极光带与地球及其他具有磁场的行星上所观察到的极光椭圆相似，从而得出木卫三具有永久磁场这一事实。

此外，对于紫外线观察结果中的相似性，天文学家当时先是用分子氧 (O 2 ) 的存在来解释。然而，其观察到的其他特征又与纯分子氧大气的排放情况不匹配，因此天文学家们得出结论，该差异或与原子氧 (O) 浓度较高有关。

图 | 木卫三的第一张紫外线图像（来源：HUBBLESITE）

令人惊讶的是，罗斯及其团队发现与 1998 年数据的解释说明相反，木卫三的大气中几乎没有原子氧。也就是说，应当用其他的解释说明来对应这些紫外线图像中的明显差异现象。

随后，该团队仔细研究了紫外线图像中极光的相对分布。结果表明，由于木卫三表面全天温差变化大，在接近赤道的中午时分其温度升高，可能导致冰面升华出一些少量的水分子。

事实上，木卫三大气中水蒸气的预期位置与这些紫外线极光图像的明显差异现象息息相关。

罗斯表示，到目前为止，他们只观察到了分子氧。随后，他又进一步解释道，“分子氧是当带电粒子侵蚀冰面时产生的。我们现在测量到的水蒸气源自某些地区表面的冰升华所引起的。”

值得一提的是，罗斯团队的这一研究结果可用于完善 “JUICE” 号（木星冰月探测器，JUpiter  ICy moons Explorer）的观测计划，为其提供有价值的信息，以优化该航天器的使用。

“JUICE” 号是欧洲航天局“宇宙愿景”（Cosmic Vision） 2015-2025 计划中的第一个大型任务，将于 2022 年发射，并于 2029 年抵达木星。

据 “JUICE” 号的行星科学家奥利维尔・维萨斯 (Olivier Witasse) 称，木星的这三个最大卫星都可能隐藏着巨大的海洋。“JUICE” 号计划花费至少三年时间对木星及其三个最大的卫星木卫三、木卫四和木卫二进行详细观测，旨在为科学家提供数据，以确定这些海洋是否存在。

其中，木卫三被称为是天文学家们的 “天然实验室”。在观测木卫三起源及其环境宜居性方面的同时，天文学家们能进一步了解到类木行星（又称气态巨行星）及其卫星的形成和演化过程。这样一来，既可以解开木星系统的历史谜题，又能使天文学家们在类木行星的系外行星系统的宜居性方面有更多新的发现。